Sensor Cahaya dengan Komparator Histerisis

A.   Latar Belakang
Sensor fotodioda digunakan sebagai penangkap intensitas cahaya. Tegangan keluaran sensor fotodioda masih dalam bentuk tegangan analog, sehingga untuk mengubahnya menjadi digital dapat menggunakan rangkaian ADC (Analog to Digital Converter) atau rangkaian komparator.
Penggunaan rangkaian komparator akan mengubah tegangan analog menjadi digital 1-bit. Penggunaan komparator dengan histerisis akan memberikan dua buah tegangan pembanding atau tegangan referensi. Sehingga setiap tegangan input akan dibandingkan dengan dua buah tegangan referensi tersebut.

B.   Tujuan
Tujuan dari rangkaian ini adalah menghasilkan tegangan digital 1-bit dari sensor cahaya menggunakan komparator yang mempunyai dua buah tegangan pembanding.

C.   Landasan Teori
1.    Schmitt Trigger
Schmitt trigger adalah jenis komparator dengan dua tegangan pembanding yang berbeda (Threshold voltage). Saat tegangan input melebihi tegangan batas atas (high threshold) maka tegangan komparator akan bernilai high pada model non-inverting input atau low pada model inverting input. Tegangan output akan bernilai tetap sampai tegangan input berada di bawah tegangan batas bawah (low threshold). Saat tegangan input berada di bawah tegangan batas bawah, maka tegangan ouptut akan berubah dari keadaan sebelumnya. Kondisi tegangan output high atau low bernilai mendekati tegangan positif atau negatif dari catu daya yang digunakan pada komparator [1]. Gambar 1. Menunjukkan grafik perubahan tegangan output terhadap tegangan input pada rangkaian Schmitt Trigger.

Gambar 1.

2.    Sensor Cahaya
Sensor cahaya adalah alat yang digunakan untuk merubah besaran cahaya menjadi besaran listrik. Prinsip kerja dari sensor cahaya adalah mengubah energi dari foton menjadi elektron. Sebagai pemancar (transmitter) menggunakan LED (Light-Emitting Diode) ultrabright, sedangkan sebagai penerima (receiver) cahaya dapat menggunakan LDR, fototransistor atau fotodioda. [2]

D. Gambar Rangkaian

E. Analisa Rangkaian
Arus yang mengalir pada LED adalah ±10 mA. Sehingga dengan tegangan catudaya 5 Volt diperlukan resistansi sebesar :

R_LED=VCC/I_LED
R_LED=(5 V)/(10 mA)=500 Ω

Karena resistor yang bernilai 500 Ω dipasaran tidak ada, maka nilai resistor yang mendekati adalah 560 Ω.
R1 (22k) membentuk rangkaian pembagi tegangan dengan fotodioda. Sehingga tegangan keluaran hasil pembacaan sensor diumpankan ke masukan pembalik pada komparator (no.pin 6).
R2 (5k) sebagai resistor variabel yang berfungsi menetapkan tegangan referensi berkisar antara 0 Volt hingga 5 Volt.
Perhitungan dua buah tegangan pembanding adalah sebagai berikut :

Tegangan batas atas (VUT)
V_UT=(n/(n+1)×V_REF )+(V_(out(max))/(n+1))

Dimana n=R4/R3=220k/22k=10 dan VREF = 2 Volt
V_UT=(10/(10+1)×2)+(5/(10+1))=1,81+0,45=2,26 Volt

Tegangan batas bawah (VLT)
V_UT=(n/(n+1)×V_REF )-(V_(out(max))/(n+1))
V_UT=(10/(10+1)×2)-(0/(10+1))=1,81+0=1,81 Volt

Tegangan Histerisis
VH=VUT-VLT
VH=2,26-1,81=0,45 Volt

Tegangan keluaran komparator akan bernilai +Vsat = 5 V saat input komparator bernilai kurang dari VLT. Tegangan keluaran komparator akan bernilai -Vsat = 0 V saat input komparator bernilai lebih dari VUT. Jika tegangan input bernilai diantara dua tegangan tersebut, maka tegangan output yang dihasilkan adalah tegangan output sebelumnya.

F. Daftar Pustaka
[1] Ihyauddin. 2010. Op-Amp Sebagai Komparator. STIKOM Surabaya. Surabaya
[2] Ihyauddin. 2010. Pemrograman Robot Penjejak Garis Berbasis Mikrokontroler. Laboratorium Mikrokontroler STIKOM Surabaya. Surabaya.
[3] Digikey. OP906. (Online). (http://rocky.digikey.com/weblib/Optek/Web%20photos/OP906.jpg, diakses tanggal 28 Nopember 2010).